專(zhuān)利名稱(chēng)：脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于球形微粒子制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的方法及裝置。
背景技術(shù)：
均勻球形微米級(jí)粒子的尺寸介于納米到毫米之間，是一種特殊的球形粉末顆粒。這種微粒子下承納米加工的上限，上承機(jī)械加工的下限，無(wú)論是在尺寸銜接和性能需求方面，還是在凈成形及微加工制造領(lǐng)域，都有其無(wú)可替代的地位和作用。通過(guò)無(wú)容器降落凝固或通過(guò)冷卻液淬火等方法凝固液滴能得到所需真圓度和粒徑的微粒子，并能應(yīng)用到特殊場(chǎng)合，如球形太陽(yáng)能電池(硅粒子)、BGA電子封裝(無(wú)鉛焊錫球粒子、銅-錫核殼結(jié)構(gòu)粒子)、球形半導(dǎo)體集成電路(硅、鍺粒子)、化學(xué)催化領(lǐng)域(活性炭粒子、鎳基合金粒子)、生體材料領(lǐng) 域(ASTM F75粒子、β -TCP粒子)、圓珠筆筆珠(ZrO2陶瓷微球)、高溫堆元件(UO2陶瓷粒子)等，這些微粒子不僅要求真圓度高，粒徑均勻，粒徑可控，進(jìn)一步還要求制備過(guò)程熱履歷一致，進(jìn)而微觀結(jié)構(gòu)一致，從而滿(mǎn)足現(xiàn)代制造業(yè)精密化、微型化和可復(fù)制性等苛刻的要求；目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)球形金屬粒子的方法有霧化法、切絲或打孔重熔法、均一液滴成型法等。霧化法制備錫球的分散度較寬，必須通過(guò)多次篩分及檢測(cè)才能得到能夠滿(mǎn)足使用要求的顆粒；切絲或打孔重熔法對(duì)于塑性加工不好的材料比較困難，此外還必須將制得的錫球進(jìn)行脫脂處理；均一液滴成型法在生產(chǎn)過(guò)程中金屬射流容易受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生的金屬顆粒存在一定的粒徑分布，且在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的裝置，該裝置在現(xiàn)有脈沖小孔噴射法的基礎(chǔ)上增加熔池?cái)?shù)量，通過(guò)安裝帶有不同孔徑的陶瓷片，使得在同一壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下，同時(shí)的大批量生產(chǎn)粒徑不同的均一球形金屬粒子；本發(fā)明的脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的方法，在通入惰性氣體Ar氣的條件下，利用加熱器加熱坩堝至其內(nèi)部金屬成熔融狀態(tài)，對(duì)壓電陶瓷施加一定的脈沖信號(hào)，使其帶動(dòng)傳動(dòng)棒產(chǎn)生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝底部的金屬熔體，使微小液滴從坩堝底部小孔射出，液滴在下降過(guò)程中無(wú)容器的凝固成均一的球形金屬粒子；解決了現(xiàn)有制備技術(shù)粒子粒徑不均一、生產(chǎn)效率低、粒徑不可控的不足。本發(fā)明技術(shù)方案是一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的裝置，該裝置位于真空腔體3中，真空腔體3包括真空腔室17、各級(jí)真空泵和外部控制系統(tǒng)；真空腔室17上部固定有噴射部位組件，下部由收集部11組成，兩者之間是粒子形成和觀察部，三者通過(guò)支架固定連接在一起；所述噴射部主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、坩堝15以及加熱器4組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括壓電陶瓷I和傳動(dòng)棒14 ;坩堝15內(nèi)部有4-10個(gè)大小相同的熔池5，熔池5底部放裝有與真空腔室17相連的帶小孔8陶瓷片7 ;壓電陶瓷I位于真空腔體3外部，與傳動(dòng)棒14連接，傳動(dòng)棒14底部位于陶瓷片7上方；坩堝15的外部固定有加熱器4，坩堝15的上部接有上通氣管2，目的是為坩堝15提供差壓；真空腔體3側(cè)壁開(kāi)有觀察窗18，并安裝有CCD攝像機(jī)19，CCD攝像機(jī)19與計(jì)算機(jī)相連；收集部11由回收槽22與支撐體23組成，收集部11正對(duì)陶瓷片7小孔8，用于收集粒徑不同的球形金屬粒子10 ；所述裝置坩堝15由4-10個(gè)大小相同的熔池5組成，在熔池5底部安裝不同孔徑的陶瓷片7，其孔徑范圍在O. 020-1. 500mm之間;該裝置坩堝15內(nèi)置有與控溫裝置相連的熱電偶9，坩堝的加熱器4與控溫裝置相連；該裝置壓電陶瓷I的振動(dòng)頻率在lHz_2kHz之間。一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的方法，其技術(shù)方案是將帶有不同孔徑的陶瓷片7固定于坩堝15底部，同時(shí)調(diào)整各坩堝15中傳動(dòng)棒14的直徑，在通入惰性氣體Ar氣的條件下，利用加熱器4加熱坩堝5至其內(nèi)部金屬成熔融狀態(tài)，對(duì)壓電陶瓷I施加一定的脈沖信號(hào)，使其帶動(dòng)傳動(dòng)棒14產(chǎn)生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝15底部的熔體金屬16，使微小液滴從坩堝15底部小孔8射出，液滴在下降過(guò)程中無(wú)容器的凝固成均一的球形金屬粒子10，壓電陶瓷I每運(yùn)動(dòng)一次每個(gè)微孔處可形成一個(gè)液滴，其步驟如下(I)裝料，將帶有不同孔徑的陶瓷片7固定于坩堝15底部，在坩堝15中加入需要制備的金屬材料，并密封；(2)洗滌真空腔體3，利用機(jī)械泵12和擴(kuò)散泵13對(duì)坩堝和真空腔室17抽真空，并充入惰性保護(hù)氣體Ar，反復(fù)進(jìn)行幾次，最后使真空腔體3內(nèi)壓力達(dá)到一個(gè)大氣壓；(3)加熱坩堝15，利用加熱器4融化坩堝15內(nèi)的金屬材料，熱電偶9實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池5內(nèi)的溫度，金屬材料完全融化后保溫15-20分鐘；(4)施加差壓，通過(guò)上進(jìn)氣管2向坩堝15中通入惰性氣體，利用差壓控制系統(tǒng)使坩堝15與真空腔室17之間達(dá)到穩(wěn)定差壓0-50kPa ；(5)施加振動(dòng)，將編輯好的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加給壓電陶瓷I，使其產(chǎn)生微小位移，由傳動(dòng)棒14傳遞給坩堝15底部的熔體金屬16，從而使得微小液滴從小孔8中射出，射出的液滴在下落過(guò)程中由于重力和表面張力的作用無(wú)容器凝固形成球形金屬粒子10 ；(6)粒子收集，噴射完成后，在不同的收集部11中收集到粒徑不同的均一球形金屬粒子IO0本發(fā)明的效果和益處是所提供的均一球形金屬粒子的制備方法和裝置，工藝可控性強(qiáng)，可控制坩堝溫度，坩堝與真空腔體的壓力差，利用圖像檢測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，減小產(chǎn)生的金屬液滴與設(shè)定液滴尺寸的誤差，獲得均勻尺寸的球形金屬粒子，提高生產(chǎn)效率；通過(guò)本發(fā)明的方法和裝置，能夠同時(shí)高效制備出滿(mǎn)足要求的不同粒徑的大小均一、熱履歷一致、圓球度高粒徑可控的球形金屬粒子；具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)；適宜工業(yè)化生產(chǎn)。


附圖1是脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的裝置示意圖。附圖2是附圖1中的A-A剖視圖。
圖中I壓電陶瓷，2上通氣管，3真空腔體，4加熱器，5熔池，6下通氣管，7陶瓷片，8小孔，9熱電偶，10球形金屬粒子，11收集部，12機(jī)械泵，13擴(kuò)散泵，14傳動(dòng)棒，15坩堝，16熔體金屬，17真空腔室，18觀察窗，19 CXD攝像機(jī)，20初步凝結(jié)的金屬粒子，21收集部側(cè)門(mén)，22回收槽，23支撐體。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將帶有不同孔徑的陶瓷片7固定于坩堝15底部，同時(shí)調(diào)整各坩堝15中傳動(dòng)棒14的直徑，在通入惰性氣體Ar氣的條件下，利用加熱器4加熱坩堝15至其內(nèi)部金屬成熔融狀態(tài),對(duì)壓電陶瓷I施加一定的脈沖信號(hào)，使其帶動(dòng)傳動(dòng)棒14產(chǎn)生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝15底部的熔體金屬16，從而使微小液滴從坩堝15底部小孔8射出，液滴在下降過(guò)程中無(wú)容器的凝固成均一的球形金屬粒子10。實(shí)施例批量制備Sn-0. 3Ag-0. 7CuBGA封裝球的
具體實(shí)施例方式(I)將Sn-0. 3Ag_0. 7Cu金屬絲剪切成等長(zhǎng)的金屬棒，進(jìn)行超聲振動(dòng)后放入坩堝15中，根據(jù)需求選擇陶瓷片7的孔徑大?。籗n-0. 3Ag-0. 7Cu金屬棒的放入量達(dá)到熔池5的3/4，如圖1所示；(2)用機(jī)械泵12將噴射部坩堝15、真空腔室17抽到低真空5Pa以下，再利用擴(kuò)散泵13將噴射部坩堝15、真空腔室17抽到高真空O. OOlPa ;利用上通氣管2和下通氣管6通入惰性氣體Ar氣，使噴射部坩堝15、真空腔室17內(nèi)的壓力達(dá)到O.1MPa ；(3)設(shè)置加熱器4的功率為400W、加熱溫度為260°C，閉合開(kāi)關(guān)加熱坩堝15，融化坩堝內(nèi)的金屬材料，溫度達(dá)到260°C后保溫20分鐘；(4)利用差壓控制系統(tǒng)，通過(guò)氣體通管2向坩堝15中通入惰性氣體氬氣，使得與真空腔室17產(chǎn)生一定差壓；將外部脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)信號(hào)施加給壓電陶瓷1，在其激勵(lì)作用下，壓電陶瓷I產(chǎn)生向下的微小位移，由傳動(dòng)棒14傳遞給熔池5底部的金屬熔體，從而使得微小金屬熔體通過(guò)坩堝15底部陶瓷片7上的小孔8噴出；射出的金屬液滴由于重力和表面張力的作用下在下落過(guò)程中無(wú)容器凝固形成球形金屬粒子10，最后落入收集部11中；(5)根據(jù)CXD攝像機(jī)19所拍攝的液滴圖像調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，從而產(chǎn)生設(shè)定尺寸的均勻液滴；(6)待收集結(jié)束后，依次關(guān)閉外部脈沖信號(hào)、加熱器4，待溫度降至室溫，打開(kāi)收集部側(cè)門(mén)21取出收集部11中的球形金屬粒子10 ;最后，關(guān)掉上通氣管2和下通氣管7，用機(jī)械泵12和擴(kuò)散泵13將熔池5和真空腔室17抽到低真空5Pa以下，以便使設(shè)備在停用時(shí)處于真空狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子裝置，其特征在于 (a)該裝置位于真空腔體(3)中，真空腔體(3)包括真空腔室(17)、各級(jí)真空泵和外部控制系統(tǒng)；真空腔室(17)上部固定有噴射部位組件，下部由收集部(11)組成，兩者之間是粒子形成和觀察部，三者通過(guò)支架固定連接在一起；所述噴射部主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、坩堝(15)以及加熱器⑷組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括壓電陶瓷⑴和傳動(dòng)棒(14) ; 甘堝(15)內(nèi)部有4-10個(gè)大小相同的熔池(5)，熔池(5)底部放裝有與真空腔室(17)相連的帶小孔(8)陶瓷片⑵；壓電陶瓷⑴位于真空腔體(3)外部，與傳動(dòng)棒(14)連接，傳動(dòng)棒(14)底部位于陶瓷片(7)上方；坩堝(15)的外部固定有加熱器(4)，坩堝(15)的上部接有上通氣管(2)，目的是為坩堝(15)提供差壓；真空腔體(3)側(cè)壁開(kāi)有觀察窗(18)，并安裝有CCD攝像機(jī)(19)，CCD攝像機(jī)(19)與計(jì)算機(jī)相連；收集部(11)由回收槽(22)與支撐體(23)組成，收集部(11)正對(duì)陶瓷片(7)小孔(8)，用于收集粒徑不同的球形金屬粒子(10)； (b)所述裝置坩堝(15)由4-10個(gè)大小相同的熔池(5)組成，在熔池(5)底部安裝不同孔徑的陶瓷片(7)，其孔徑范圍在O. 020-1. 500mm之間； (c)該裝置坩堝(15)內(nèi)置有與控溫裝置相連的熱電偶(9)，坩堝的加熱器(4)與控溫裝置相連； (d)該裝置壓電陶瓷(I)的振動(dòng)頻率在lHz-20kHz之間。
2.一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子方法，其特征在于 將帶有不同孔徑的陶瓷片(7)固定于坩堝(15)底部，同時(shí)調(diào)整各坩堝(15)中傳動(dòng)棒(14)的直徑，在通入惰性氣體Ar氣的條件下，利用加熱器(4)加熱坩堝(15)至其內(nèi)部金屬成熔融狀態(tài)，對(duì)壓電陶瓷(I)施加一定的脈沖信號(hào)，使其帶動(dòng)傳動(dòng)棒(14)產(chǎn)生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝(15)底部的熔體金屬(16)，使微小液滴從坩堝(15)底部小孔(8)射出，液滴在下降過(guò)程中無(wú)容器的凝固成均一的球形金屬粒子(10)，壓電陶瓷每運(yùn)動(dòng)一次每個(gè)微孔處可形成一個(gè)液滴，其步驟如下 (1)裝料，將帶有不同孔徑的陶瓷片(7)固定于坩堝(15)底部，在坩堝(15)中加入需要制備的金屬材料，并密封； (2)洗滌真空腔體(3)，利用機(jī)械泵(12)和擴(kuò)散泵(13)對(duì)坩堝和真空腔室(17)抽真空，并充入惰性保護(hù)氣體Ar，反復(fù)進(jìn)行，最后使真空腔體(3)內(nèi)壓力達(dá)到一個(gè)大氣壓； (3)加熱坩堝(15)，利用加熱器(4)融化坩堝(15)內(nèi)的金屬材料，熱電偶(9)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池(5)內(nèi)的溫度，金屬材料完全融化后保溫15-20分鐘； (4)施加差壓，通過(guò)上進(jìn)氣管(2)向坩堝(15)中通入惰性氣體，利用差壓控制系統(tǒng)使坩堝(15)與真空腔室(17)之間達(dá)到穩(wěn)定差壓0-50kPa ; (5)施加振動(dòng)，將編輯好的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加給壓電陶瓷(I)，使其產(chǎn)生微小位移，由傳動(dòng)棒(14)傳遞給坩堝(15)底部的熔體金屬(16)，從而使得微小液滴從小孔(8)中射出，射出的液滴在下落過(guò)程中由于重力和表面張力的作用無(wú)容器凝固形成球形金屬粒子(10)； (6)粒子收集，噴射完成后，在不同的收集部(11)中收集到粒徑不同的均一球形金屬粒子(10)。
全文摘要
一種脈沖小孔多振動(dòng)桿噴射法高效制備均一球形微粒子的方法及裝置，屬于球形微粒子制備的技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在通入惰性氣體Ar產(chǎn)生背壓的條件下，使用加熱器將坩堝內(nèi)多個(gè)熔池中的金屬材料加熱至熔融狀態(tài)，然后給壓電陶瓷輸入一定的脈沖信號(hào)使其產(chǎn)生一縱向的微小位移，并由傳動(dòng)棒作用于熔體金屬，從而使一定量的微小液體從各熔池底部小孔噴出形成液滴，并通過(guò)攝像系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)分析液滴的尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)而調(diào)整最優(yōu)參數(shù)，液滴在降落過(guò)程中無(wú)凝固形成均一的球形金屬粒子。本發(fā)明的效果和益處是能夠同時(shí)高效制備尺寸不同的均一球形粒子，粒子熱履歷一致，圓球度好，尺寸可控，大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B22F9/08GK103008672SQ20121054092
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者董偉, 譚毅, 魯棟 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)